[發(fā)明專利]一種炭/炭復(fù)合材料長(zhǎng)時(shí)間高溫抗氧化硅基復(fù)合涂層及制備和應(yīng)用方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110283670.5
• 申請(qǐng)日: 2011-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN102432345A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 熊翔;曾毅;張武裝;殷玲;郭順
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): C04B41/87
• 分類號(hào): C04B41/87
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所 43114
• 代理人: 袁靖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種炭/炭復(fù)合材料的表面處理，尤其涉及一種新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)加力燃燒室替代高溫合金用炭/炭復(fù)合材料表面長(zhǎng)時(shí)間高溫抗氧化硅基復(fù)合涂層及其制備和應(yīng)用方法。

背景技術(shù)

炭/炭復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基體的新型高溫材料，該材料比重輕，理論密度為2.2g/cm³，具有高強(qiáng)模量、熱膨脹系數(shù)小、耐燒蝕、耐疲勞、化學(xué)惰性、尺寸穩(wěn)定性高，特別是高溫下強(qiáng)度隨溫度升高而升高以及高斷裂韌性、低蠕變等一系列優(yōu)點(diǎn)，是理想的高溫結(jié)構(gòu)及耐燒蝕材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。目前，世界各國(guó)都將抗氧化炭/炭復(fù)合材料作為航天飛機(jī)的鼻錐和機(jī)翼前沿的首選材料。炭/炭復(fù)合材料具有質(zhì)輕耐熱的特點(diǎn)，因而也是推重比大于10的航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件合金材料的重要替代材料。

但炭/炭復(fù)合材料在高溫有氧環(huán)境中使用時(shí)易被氧化。在有氧條件下，炭/炭復(fù)合材料的起始氧化溫度為370℃；當(dāng)高于500℃時(shí)，炭/炭復(fù)合材料會(huì)迅速氧化，并發(fā)生毀滅性破壞。傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室多采用合金材料，燃燒室的出口溫度達(dá)到了1000℃-1500℃，如能用炭/炭復(fù)合材料取代合金材料，發(fā)動(dòng)機(jī)的重量會(huì)大大減輕，進(jìn)而提高飛機(jī)的推重比。因此，研制一種新型長(zhǎng)時(shí)間高溫抗氧化的涂層炭/炭復(fù)合材料取代高溫合金材料，使其能夠應(yīng)用在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室上有著重要的意義。

在炭/炭復(fù)合材料表面涂覆抗氧化復(fù)合陶瓷涂層是行之有效的措施。同時(shí)，為了不斷提高或改善抗氧化涂層的防護(hù)性能，涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐步由單一涂層體系向復(fù)合涂層體系發(fā)展，硅基陶瓷涂層是目前研究最深入的抗氧化涂層體系。硅基陶瓷中，SiC的熱膨脹系數(shù)與碳基體較為接近，且有好的化學(xué)相容性。采用包埋法制備SiC內(nèi)層具有涂層與基體結(jié)合好以及成本低的優(yōu)勢(shì)。而外層中的MoSi₂具有金屬的高溫韌性及優(yōu)異的高溫抗氧化性，在800℃以上，MoSi₂表面能生成一層致密、連續(xù)、自愈合的SiO₂膜，能阻止氧的進(jìn)入。Cr與Si反應(yīng)生成CrSi₂與氧氣反應(yīng)生成具有極低的氧滲透率的SiO₂和Cr₂O₃，且所生成的Cr₂O₃可提高SiO₂玻璃的高溫穩(wěn)定性，這種復(fù)合玻璃層既可有效地阻止氧氣的侵入又具有較好的高溫穩(wěn)定性。另外，在1100～1500℃下，Si₃N₄的氧化速度比SiC小2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，主要是因?yàn)镾i₃N₄在氧化時(shí)生成了比SiO₂具有更低氧擴(kuò)散率的Si₂N₂O，與SiO₂薄膜相比Si₂N₂O薄膜具有更緊密的網(wǎng)狀涂層，因而對(duì)抗氧化有著重要的作用。

發(fā)明目的

本發(fā)明的目的就是針對(duì)炭/炭復(fù)合材料表面陶瓷涂層因物理和化學(xué)不匹配導(dǎo)致易出現(xiàn)裂紋等缺陷的情況，設(shè)計(jì)并制備一種全新的與基體結(jié)合牢固，無(wú)貫穿裂紋的SiC/MoSi₂-Si₂N₂O-CrSi₂(由內(nèi)到外)長(zhǎng)時(shí)間抗高溫氧化的硅基陶瓷復(fù)合涂層，及其制備和應(yīng)用方法。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述方式實(shí)現(xiàn)的：

一種炭/炭復(fù)合材料長(zhǎng)時(shí)間高溫抗氧化硅基復(fù)合涂層的制備方法，

是在炭/炭復(fù)合材料表面上由里到外依次制備連接層和陶瓷涂層；所述的連接層為包埋法制備的SiC層，所述的陶瓷涂層為刷涂法與氣相反應(yīng)法制備的MoSi₂-Si₂N₂O-CrSi₂的陶瓷層。

所述的包埋法制備連接層是以Si粉、Al₂O₃粉、C粉，SiC粉為原料，球磨混勻后將炭/炭復(fù)合材料包埋，高溫煅燒即可，制得的連接層厚度約為100μm-200μm。

具體步驟如下：